Temperature sensitivity of soil organic matter decomposition in boreal soils

The temperature sensitivity of decomposition of different soil organic matter (SOM) fractions was studied with laboratory incubations using 13C and 14C isotopes to differentiate between SOM of different age. The quality of SOM and the functionality and composition of microbial communities in soils formed under different climatic conditions were also studied. Transferring of organic layers from a colder to a warmer climate was used to assess how changing climate, litter input and soil biology will affect soil respiration and its temperature sensitivity. Together, these studies gave a consistent picture on how warming climate will affect the decomposition of different SOM fractions in Finnish forest soils: the most labile C was least temperature sensitive, indicating that it is utilized irrespective of temperature. The decomposition of intermediate C, with mean residence times from some years to decades, was found to be highly temperature sensitive. Even older, centennially cycling C was again less temperature sensitive, indicating that different stabilizing mechanisms were limiting its decomposition even at higher temperatures. Because the highly temperature sensitive, decadally cycling C, forms a major part of SOM stock in the organic layers of the studied forest soils, these results mean that these soils could lose more carbon during the coming years and decades than estimated earlier. SOM decomposition in boreal forest soils is likely to increase more in response to climate warming, compared to temperate or tropical soils, also because the Q10 is temperature dependent. In the northern soils the warming will occur at a lower temperature range, where Q10 is higher, and a similar increase in temperature causes a higher relative increase in respiration rates. The Q10 at low temperatures was found to be inversely related to SOM quality. At higher temperatures respiration was increasingly limited by low substrate availability.

A matter of taste : genetic and environmental influences on responses to sweetness

Diet is a major player in the maintenance of health and onset of many diseases of public health importance. The food choice is known to be largely influenced by sensory preferences. However, in many cases it is unclear whether these preferences and dietary behaviors are innate or acquired. The aim of this thesis work was to study the extent to which the individual differences in dietary responses, especially in liking for sweet taste, are influenced by genetic factors. Several traits measuring the responses to sweetness and other dietary variables were applied in four studies: in British (TwinsUK) and Finnish (FinnTwin12 and FinnTwin16) twin studies and in a Finnish migraine family study. All the subjects were adults and they participated in chemosensory measurements (taste and smell tests) and filled in food behavior questionnaires. Further, it was studied, whether the correlations among the variables are mediated by genetic or environmental factors and where in the genome the genes influencing the heritable traits are located. A study of young adult Finnish twins (FinnTwin16, n=4388) revealed that around 40% of the food use is attributable to genetic factors and that the common, childhood environment does not affect the food use even shortly after moving from the parents home. Both the family study (n=146) and the twin studies (British twins, n=663) showed that around half of the variation in the liking for sweetness is inherited. The same result was obtained both by the chemosensory measurements (heritability 41-49%) and the questionnaire variables (heritability 31-54%). By contrast, the intensity perception of sweetness or the responses to saltiness were not influenced by genetic factors. Further, a locus influencing the use-frequency of sweet foods was identified on chromosome 16p. A closer examination of the relationships among the variables based on 663 British twins revealed that several genetic and environmental correlations exist among the different measures of liking for sweetness. However, these correlations were not very strong (range 0.06-0.55) implying that the instruments used measure slightly different aspects of the phenomenon. In addition, the assessment of the associations among responses to fatty foods, dieting behaviors, and body mass index in twin populations (TwinsUK n=1027 and FinnTwin12 n=299) showed that the dieting behaviors (cognitive restraint, uncontrolled eating, and emotional eating) mediate the relationship between obesity and diet. In conclusion, the work increased the understanding of the background variables of human eating behavior. Genetic effects were shown to underlie the variation of many dietary traits, such as liking for sweet taste, use of sweet foods, and dieting behaviors. However, the responses to salty taste were shown to be mainly determined by environmental factors and thus should more easily be modifiable by dietary education, exposure, and learning than sweet taste preferences. Although additional studies are needed to characterize the genetic element located on chromosome 16 that influences the use-frequency of sweet foods, the results underline the importance of inherited factors on human eating behavior.

The white-rot fungi Phlebia radiata and Dichomitus squalens in wood-based cultures: expression of laccases, lignin peroxidases, and oxalate decarboxylase

Basidiomycetous white-rot fungi are the only organisms that can efficiently decompose all the components of wood. Moreover, white-rot fungi possess the ability to mineralize recalcitrant lignin polymer with their extracellular, oxidative lignin-modifying enzymes (LMEs), i.e. laccase, lignin peroxidase (LiP), manganese peroxidase (MnP), and versatile peroxidase (VP). Within one white-rot fungal species LMEs are typically present as several isozymes encoded by multiple genes. This study focused on two effi cient lignin-degrading white-rot fungal species, Phlebia radiata and Dichomitus squalens. Molecular level knowledge of the LMEs of the Finnish isolate P. radiata FBCC43 (79, ATCC 64658) was complemented with cloning and characterization of a new laccase (Pr-lac2), two new LiP-encoding genes (Pr-lip1, Pr-lip4), and Pr-lip3 gene that has been previously described only at cDNAlevel. Also, two laccase-encoding genes (Ds-lac3, Ds-lac4) of D. squalens were cloned and characterized for the first time. Phylogenetic analysis revealed close evolutionary relationships between the P. radiata LiP isozymes. Distinct protein phylogeny for both P. radiata and D. squalens laccases suggested different physiological functions for the corresponding enzymes. Supplementation of P. radiata liquid culture medium with excess Cu2+ notably increased laccase activity and good fungal growth was achieved in complex medium rich with organic nitrogen. Wood is the natural substrate of lignin-degrading white-rot fungi, supporting production of enzymes and metabolites needed for fungal growth and the breakdown of lignocellulose. In this work, emphasis was on solid-state wood or wood-containing cultures that mimic the natural growth conditions of white-rot fungi. Transcript analyses showed that wood promoted expression of all the presently known LME-encoding genes of P. radiata and laccase-encoding genes of D. squalens. Expression of the studied individual LME-encoding genes of P. radiata and D. squalens was unequal in transcript quantities and apparently time-dependent, thus suggesting the importance of several distinct LMEs within one fungal species. In addition to LMEs, white-rot fungi secrete other compounds that are important in decomposition of wood and lignin. One of these compounds is oxalic acid, which is a common metabolite of wood-rotting fungi. Fungi produce also oxalic-acid degrading enzymes of which the most widespread is oxalate decarboxylase (ODC). However, the role of ODC in fungi is still ambiguous with propositions from regulation of intra and extracellular oxalic acid levels to a function in primary growth and concomitant production of ATP. In this study, intracellular ODC activity was detected in four white-rot fungal species, and D. squalens showed the highest ODC activity upon exposure to oxalic acid. Oxalic acid was the most common organic acid secreted by the ODC-positive white-rot fungi and the only organic acid detected in wood cultures. The ODC-encoding gene Ds-odc was cloned from two strains of D. squalens showing the first characterization of an odc-gene from a white-rot polypore species. Biochemical properties of the D. squalens ODC resembled those described for other basidiomycete ODCs. However, the translated amino acid sequence of Ds-odc has a novel N-terminal primary structure with a repetitive Ala-Ser-rich region of ca 60 amino acid residues in length. Expression of the Ds-odc transcripts suggested a constitutive metabolic role for the corresponding ODC enzyme. According to the results, it is proposed that ODC may have an essential implication for the growth and basic metabolism of wood-decaying fungi.

Characterization of lignin-modifying enzymes of the selective white-rot fungus Physisporinus rivulosus

White-rot fungi are wood degrading organisms that are able to decompose all wood polymers; lignin, cellulose and hemicellulose. Especially the selective white-rot fungi that decompose preferentially wood lignin are promising for biopulping applications. In biopulping the pretreatment of wood chips with white-rot fungi enhances the subsequent pulping step and substantially reduces the refining energy consumption in mechanical pulping. Because it is not possible to carry out biopulping in industrial scale as a closed process it has been necessary to search for new selective strains of white-rot fungi which naturally occur in Finland and cause selective white-rot of Finnish wood raw-material. In a screening of 300 fungal strains a rare polypore, Physisporinus rivulosus strain T241i isolated from a forest burn research site, was found to be a selective lignin degrader and promising for the use in biopulping. Since selective lignin degradation is apparently essential for biopulping, knowledge on lignin-modifying enzymes and the regulation of their production by a biopulping fungus is needed. White-rot fungal enzymes that participate in lignin degradation are laccase, lignin peroxidase (LiP), manganese peroxidase (MnP), versatile peroxidase (VP) and hydrogen peroxide forming enzymes. In this study, P. rivulosus was observed to produce MnP, laccase and oxalic acid during growth on wood chips. In liquid cultures manganese and veratryl alcohol increased the production of acidic MnP isoforms detected also in wood chip cultures. Laccase production by P. rivulosus was low unless the cultures were supplemented with sawdust and charred wood, the components of natural growth environment of the fungus. In white-rot fungi the lignin-modifying enzymes are typically present as multiple isoforms. In this study, two MnP encoding genes, mnpA and mnpB, were cloned and characterized from P. rivulosus T241i. Analysis of the N-terminal amino acid sequences of two purified MnPs and putative amino acid sequence of the two cloned mnp genes suggested that P. rivulosus possesses at least four mnp genes. The genes mnpA and mnpB markedly differ from each other by the gene length, sequence and intron-exon structure. In addition, their expression is differentially affected by the addition of manganese and veratryl alcohol. P. rivulosus produced laccase as at least two isoforms. The results of this study revealed that the production of MnP and laccase was differentially regulated in P. rivulosus, which ensures the efficient lignin degradation under a variety of environmental conditions.

Degradation of lignin and other 14C-labelled compounds in compost and soil with an emphasis on white-rot fungi

Puu, ruohokasvit ja näistä tehdyt tuotteet kuten mekaanisesta massasta valmistettu sanomalehtipaperi sisältävät ligniiniä, joka hajoaa yleensä hyvin hitaasti luonnossa. Valkolahosienet hajottavat ligniiniä tehokkaimmin, ja koska niiden tuottamat entsyymit hajottavat myös muita vaikeasti hajoavia yhdisteitä, voidaan valkolahosienten avulla mahdollisesti puhdistaa saastuneita maita. Tässä työssä haluttiin selvittää, säilyttävätkö valkolahosienet (Abortiporus biennis, Bjerkandera adusta, Dichomitus squalens, Phanerochaete chrysosporium, Phanerochaete sordida, Phlebia radiata, Pleurotus ostreatus, Trametes hirsuta ja Trametes versicolor) aktiivisuutensa ja kasvavatko ne maassa. Aktiivisuutta mitattiin seuraamalla sienten synteettisen ligniinin (14C-DHP) hajotuskykyä. T. versicolor (silkkivyökääpä) osoittautui tehokkaimmaksi ligniinin hajottajaksi ja sen pentakloorifenolin (PCP) hajotuskykyä tutkittiin erillisessä kokeessa. Entiset tai pitkään käytössä olleet saha-alueet ovat yhä saastuneet puun käsittelyaineista peräisin olevilla kloorifenoleilla. Biohajoavien muovien kehitystyö sekä kompostoinnin yleistyminen jätteiden käsittelymenetelmänä ovat luoneet tarpeen materiaalien biohajoavuuden määrittämiseen. Euroopan standardisoimisjärjestön (CEN) kontrolloidussa kompostitestissä biohajoavuus määritetään materiaalin hajoamisen aikana muodostuvan hiilidioksidin perusteella. Hiilidioksidin tuotto mitataan sekä näytettä sisältävästä kompostista että kompostista ilman näytettä, ja tällöin oletetaan, että kompostin orgaaninen aines molemmissa komposteissa (tausta) tuottaa yhtä paljon hiilidioksidia. Testin puutteeksi saattaa osoittautua kompostissa tai maassa esiintyvä "priming effect". Tällä tarkoitetaan materiaalin lisäämisen jälkeen esiintyvää epänormaalin suurita tai pientä hiilidioksidin muodostusta, minkä seurauksena testin tulosksena saatava biohajoavuus on virheellinen. Ligniinin hajotessa muodostuu enemmän humusta kuin hiilidioksidia, koska ligniini on humuksen tärkein lähtöaine. Näin ollen ligniiniä sisältävät paperituotteet saattavat testin mukaan vaikuttaa biologisesti hajoamattomilta. Valkolahosienet hajottivat 4-23% ligniinistä hiilidioksidiksi ja T. versicolor 29% PCP:sta. Kompostissa ligniini hajosi hiilidioksidiksi 58°C:ssa huomattavasti vähemmän (8%) kuin lämpötiloissa 35°C ja 50°C (23-24%). Kompostin todennäköisesti tärkeimpien ligniinin hajottajien, termofiilisten sienten, tyypillinen optimilämpötila on 45°C, eivätkä ne ole enää aktiivisia 58°C:ssa. Sekä maassa että kompostissa ligniini sitoutui kuitenkin suurimmaksi osaksi humukseen. Valkolahosienet hajottivat sekä humukseen sitoutunutta ligniiniä että PCP:ia, mutta kompostin sekapopulaatio ei tähän pystynyt, ja ligniiniä sitoutui humukseen yhä enemmän kompostoinnin aikana. T. versicolor hajotti PCP:ia tehokkaasti, eikä se tuottanut myrkyllisiä kloorianisoleja, joita jotkut valkolahosienet saattavat muodostaa kloorifenoleista. Priming effect ilmiötä tutkittiin eri ikäisissä ja kypsyydeltään erilaisissa komposteissa. Kompostit erosvat toisistaan myös hajoamattoman jätteen määrän ja mikrobipopulaation suhteen. Negatiivinen priming effect havaittiin kaikissa epästabiileissa komposteissa (ikä enintään 6 kk), ja sen lisäksi yhdessä näistä komposteista positiivinen priming effect kokeen lopussa. Stabiileissa komposteissa (ikä vähintään 6 kk) ilmiötä ei sen sijaan havaittu. Epästabiileissa komposteissa biohajoavuudelle saadut tulokset eivät siis ole luotettavia. Työn tulosten perusteella valkolahosienet, ja erityisesti T. versicolor, ovat lupaavia saastuneen maan puhdistukseen, joskin sienirihmaston mahdollisuudet säilyä aktiivisena maan alkuperäisen mikrobipopulaation kanssa täytyy vielä selvittää. Kompostin sekapopulaatio, joka ei sisällä valkolahosieniä, hajotti ligniiniä yllättävän tehokkaasti termofiilisille sienille sopivissa lämpötiloissa, vaikka ligniini sitoutuikin pääasiallisesti humukseen. Kompostin kypsyys osoittautui tärkeäksi tekijäksi kontrolloidun kompostitestin onnistumisen kannalta. Priming effect ilmiön välttämiseksi on varmistettava, että testissä käytetty komposti on riittävän kypsä. Kompostien mikrobipopulaation koostumusta kompostoinnin eri vaiheissa tulisi tarkemmin selvittää, koska stabiilien ja epästabiilien kompostien ero aiheutui todennäköisesti populaatioiden rakenteessa vallitsevista eroista. Näin myös priming effect ilmiön syyt voitaisiin selittää paremmin.

Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.